从17世纪提出胡克定律至今，弹性力学已成为材料、结构以及众多交叉学科的基础，为建筑、机械、航天等工程交叉领域的发展奠定了基石，并激发了声子学这一融合了量子材料信息交叉前沿的学科发展。譬如声表面波滤波器，已经广泛运用在了5G微波电子设备、微纳机械系统、光力学声子器件和量子传感器中。自2018年，物理科学与工程学院声子中心任捷团队在理论上揭示了弹性波的内在自旋角动量[PNAS，115，9951(2018)]，弹性波声子引起了广泛的研究兴趣，为弹性波器件以及声自旋、光自旋、磁自旋操控器件提供了新的设计思路。但是弹性波声子自旋角动量本身的直接实验激励和测量问题却一直悬而未决。

经过四年跨学科的潜心攻关和艰苦努力，物理科学与工程学院和航空航天与力学学院联合团队终于用精巧设计的弹性波手性自旋源，实现了选择性激励的单向弹性表面波，观察到了两类标准弹性波体系（瑞利波和兰姆波）中的自旋-动量锁定效应，并首次测量了对应的自旋角动量，证实了我校声子团队在2018提出的原创理论预言，为教科书作出了重要补充。在该结构中，简单有效的四点源激励方案为成功实现超声频段弹性波自旋的选择性激励与后续实验观察提供了良好条件。实验中使用激光多普勒测振仪测量波传播的规律。11月29日，相关研究成果“Observation of Elastic Spin with Chiral Meta-Sources”发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

图1为弹性波的自旋和自旋源示意图，其中图1a展示了瑞利波中的自旋-动量锁定效应。绿色箭头显示了界面上向左(k<0)和向右(k>0)瑞利波的位移极化。粗红色/蓝色箭头表示表面波的正/负自旋角动量，它描述了位移场的局域圆极化状态。图1b展示了自旋源中自旋角动量的分布。相位不同的四个输入信号分别加载到杆1到4上。红色/蓝色表示外部/内部区域中归一化的正/负弹性自旋角动量。图1c展示了自旋源中心振动方向随时间的变化（从左到右）。如黑色箭头所示，在每个周期内，四根杆中间的位移矢量旋转一个周期。图1d展示了弹性自旋源的输入五周期正弦调制信号，杆1到4上依次具有π/2相位的延迟。

图1

图2展示了源选择性激励时自旋-动量锁定的单向传输和弹性波自旋观察。在图2a中，自旋正的波源激发了向左传输的弹性波，在左侧测量到的表面上的自旋为正（图2c）。在图2b中，自旋负的波源激发了向右传输的弹性波，在右侧测量到的表面上的自旋为负（图2d）。在兰姆波系统中，在自旋正的波源激发时，在窄板的前表面（图2f）和后表面（图2e）上均观察到了向左传输的弹性波，但对应的自旋极化相反，分别为正（图2g）和负（图2h）。

图2

该研究在金属板中构造并成功实现了可以选择性激励弹性波自旋角动量的波源，并且在瑞利波和兰姆波中观测到了与理论相符的自旋-动量锁定现象，有望为新型弹性波器件和自旋调控器件提供新思路。

论文共同第一作者为我校博士研究生袁伟桃、杨晨温，共同通讯作者为赵金峰副教授、任捷教授。潘永东教授、仲政教授、陈鸿教授、龙洋博士、张丹妹博士研究生对文章作出了重要贡献。同济大学为论文唯一完成单位。

近年来，同济声子学团队与合作者在波动自旋领域取得了系列原创性成果，在《美国科学院院报》《国家科学评论》《自然·通讯》《物理评论快报》等国际期刊上发表了系列重要研究成果。该项工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、上海市科委、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室等项目资助。（张丹妹）

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27254-z